Knödel „explodieren“ immer in der Pfanne? Vielleicht muss ich meine Kenntnisse in Wärmeübertragung auffrischen.

Egal wo du bist,

Knödel gehören immer zu den festlichen Tischen.

Ebenso unverzichtbar.

Wenn die gekochten Knödel voll und vollständig sind,

Es ist zäh und angenehm.

Aber wenn es einmal gekocht ist,

Wie ein zerbrochenes Kunstwerk,

Es ist so traurig.

Warum zerbrechen Knödel beim Kochen?

Ist der kleine Trick mit der Zugabe von kaltem Wasser wissenschaftlich begründet?

Um diese Zweifel auszuräumen,

Betrachten wir dies aus der Perspektive der Wärmeübertragung.

Knödel wissenschaftlich kochen.

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Grundlegende Methoden der Wärmeübertragung

Wenn wir über Wärmeübertragung sprechen, müssen wir zunächst die drei grundlegenden Arten der Wärmeübertragung vorstellen: Wärmeleitung, Wärmekonvektion und Wärmestrahlung.

Wärmeleitung

Unter Wärmeleitung versteht man hauptsächlich die Wärmeübertragung innerhalb oder zwischen Festkörpern. Es bezieht sich auf den Prozess, bei dem die Wärmeübertragung durch mikroskopische Partikel wie Moleküle, Atome und Elektronen ohne relative Bewegung zwischen den Teilen des Materials erfolgt. Beim Kochen von Knödeln beispielsweise werden die Wärmeleitung in der Topfwand, die Wärmeleitung in der Knödelhaut und die gegenseitige Wärmeübertragung beim Kontakt zwischen Knödelhaut und Füllung allesamt als Wärmeleitung betrachtet.

Bei Wärmeleitungsproblemen wird im Allgemeinen das Fouriersche Gesetz (auch als Grundgesetz der Wärmeleitung bekannt) verwendet, d. h. die Wärmestromdichte erfüllt

Der Wärmestrom Φ stellt die pro Zeiteinheit fließende Wärmemenge dar und seine Einheit ist W. A stellt die Fläche dar, daher ist es naheliegend, dass die Wärmestromdichte q die Wärmemenge darstellt, die pro Zeiteinheit durch eine Flächeneinheit fließt. dt und dx sind die Temperaturdifferenz bzw. die Entfernung. λ ist die Wärmeleitfähigkeit, die durch die Eigenschaften des Materials bestimmt wird und deren Einheit W/(m·K) ist.

Aus diesem Ausdruck können wir drei Hauptinformationen ableiten: (1) Wärme wird von Bereichen mit hoher Temperatur in Bereiche mit niedriger Temperatur übertragen; (2) Je drastischer die Temperaturänderung, desto schneller die Wärmeübertragung. (3) Die Geschwindigkeit der Wärmeübertragung wird durch die Eigenschaften des Materials beeinflusst (unterschiedliche Wärmeleitfähigkeit λ).

Bei der Problematik der Knödelzubereitung kann man einfach die Wärmeleitfähigkeit von Topfwand (Eisen/Edelstahl), Wasser, Knödelhaut und Knödelfüllung vergleichen, wobei Haut und Füllung durch Weizenmehl mit 12 % Wasseranteil bzw. einen Teil des Fleisches ersetzt werden.

Wärmeleitfähigkeit verschiedener Objekte | Daten: Referenzen [2]-[4]

Im Vergleich dazu lässt sich unschwer feststellen, dass der Topf als Metallprodukt einen um zwei Größenordnungen höheren Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten aufweist als andere Gegenstände. Deshalb müssen Metalllöffel mit nichtmetallischen Griffen ausgestattet sein, um Verbrennungen durch übermäßige Wärmeleitung zu vermeiden.

Thermische Konvektion

Thermische Konvektion tritt auf, wenn ein Fluid (Flüssigkeit oder Gas) vorhanden ist, und bezieht sich auf die Wärmeübertragung, die durch die Vermischung heißer und kalter Teile entsteht, wenn sich die Teile des Fluids relativ zueinander bewegen. Da die inneren Moleküle ebenfalls einer thermischen Bewegung unterliegen, geht die Wärmekonvektion auch mit einer Wärmeleitung einher.

Obwohl innerhalb der Flüssigkeit eine Wärmekonvektion stattfindet, ist in praktischen Anwendungen der Prozess der Wärmeübertragung zwischen der Oberfläche eines Objekts und dem Überfluss der Flüssigkeit üblicher. Zur Unterscheidung wird letztere als konvektive Wärmeübertragung bezeichnet. Beim Kochen von Knödeln kann die Wärmeübertragung zwischen Wasser und Topf sowie zwischen Wasser und Knödelhaut durch Konvektionswärmeübertragung modelliert werden.

Das konvektive Wärmeübertragungsmodell der Flüssigkeit auf der Oberfläche des oben genannten Objekts kann durch die Newtonsche Abkühlungsformel beschrieben werden, die wie folgt geschrieben wird:

Dabei ist q weiterhin die Wärmestromdichte und Δt stellt die Temperaturdifferenz zwischen der Objektoberfläche und der Flüssigkeit dar. Der Proportionalitätskoeffizient h wird als Oberflächenwärmeübergangskoeffizient (auch Konvektionswärmeübergangskoeffizient genannt) bezeichnet und hat die Einheit W/(m2·K). Da der Oberflächenwärmeübergangskoeffizient die Wärmeübertragung zwischen der Flüssigkeit und der Oberfläche eines Objekts beinhaltet, hängt er nicht nur von den Eigenschaften der Oberfläche des Objekts (wie Material, Form und Größe) ab, sondern auch von den physikalischen Eigenschaften der Flüssigkeit (wie Wärmeleitfähigkeit, Wärmekapazität) und sogar der Durchflussrate.

Je nach Strömungsursache kann die Konvektion in zwei Arten unterteilt werden: natürliche Konvektion und erzwungene Konvektion.

Bei der natürlichen Konvektion handelt es sich um eine Strömung, die durch Dichteunterschiede angetrieben wird, die durch Temperaturunterschiede zwischen Teilen verursacht werden. Wenn Sie beispielsweise Knödel kochen und das Wasser nicht kocht, wird das Wasser am Topfboden erhitzt und seine Dichte nimmt ab, sodass es an die Oberfläche fließt. Das Wasser in der oberen Schicht hat eine niedrigere Temperatur und eine höhere Dichte und tendiert dazu, zum Boden des Topfes zu wandern, wodurch eine natürliche Konvektion entsteht.

Erzwungene Konvektion ist die Strömung, die auftritt, wenn eine Wasserpumpe oder ein anderer Druckunterschied vorhanden ist. Wenn Sie beispielsweise das Wasser in einem Topf mit einem Löffel umrühren, fließt das Wasser.

Wärmestrahlung

Unter Wärmestrahlung versteht man das Phänomen, dass verschiedene Objekte spontan elektromagnetische Wellen aussenden und durch Wärme Energie freisetzen. Wenn elektromagnetische Wellen auf andere Objekte treffen, werden sie bis zu einem gewissen Grad absorbiert. Strahlung und Absorption bilden zusammen die Strahlungswärmeübertragung. Wenn das System ein dynamisches Gleichgewicht erreicht, absorbiert und strahlt jedes Objekt die gleiche Wärmemenge ab.

Bei der Erörterung von Strahlungsproblemen ist ein ideales Forschungsobjekt ein sogenannter absoluter Schwarzer Körper, dessen Eigenschaft darin besteht, dass er alle elektromagnetischen Wellen absorbieren kann, die auf seine Oberfläche treffen. Diese Art von Objekt hat die größte Absorptionskapazität und wenn es sein dynamisches Gleichgewicht erreicht, ist offensichtlich auch seine Fähigkeit, Energie abzustrahlen, am größten. Die pro Zeiteinheit von einem schwarzen Körper abgestrahlte Energie ergibt sich aus dem Stefan-Boltzmann-Gesetz:

Dabei ist A die Strahlungsfläche und T die Temperatur des schwarzen Körpers. σ ist die Schwarzkörperstrahlungskonstante und ihr Wert beträgt 5,67 × 10-8 W/(m2·K4). Die Strahlung eines realen Objekts unterscheidet sich von der eines absoluten schwarzen Körpers um einen Proportionalitätskoeffizienten ε, d. h.

Dieser Proportionalitätsfaktor wird als Emissionsgrad (auch Schwärzegrad genannt) des Objekts bezeichnet. Es ist anzumerken, dass die Energie der Wärmestrahlung erheblich von der Temperatur beeinflusst wird. Wenn also kein Objekt mit hoher Temperatur vorhanden ist, wird die Wärmestrahlung im Allgemeinen ignoriert.

Beim Kochen von Knödeln wird mit der Flamme ein Gas mit relativ hoher Temperatur ganz oder teilweise verbrannt. Nehmen wir beispielsweise einen Erdgasherd: Seine Temperatur kann im Allgemeinen etwa 1000–1500 K erreichen, sodass er eine deutliche Wärmestrahlung erzeugen kann. Allerdings kann die Flamme selbst als Flüssigkeit durch thermische Konvektion auch Wärme auf den Topfboden übertragen, und im Allgemeinen spielt letztere die Hauptheizfunktion.

Glauben Sie nach der Lektüre, dass die Knödel auf dem Teller tatsächlich physikalisches Licht ausstrahlen? Denn wenn wir Knödel kochen, durchläuft die Hitze der Flamme die Konvektionswärmeübertragung und Strahlungswärmeübertragung zwischen der Flamme und dem Topf, die Wärmeleitung innerhalb der Topfwand, die Konvektionswärmeübertragung zwischen der Topfwand und dem Wasser, die Konvektion und Wärmeleitung im Wasser, die Konvektionswärmeübertragung zwischen dem Wasser und den Knödelhäuten und die Wärmeleitung zwischen den Knödelhäuten und der Knödelfüllung, bevor die Knödel schließlich auf unserem Teller gegart werden. (Wenn Sie nicht glauben, dass es physisch ist, können Sie den obigen Satz rezitieren, ohne Luft zu holen.) Wir haben jedoch immer noch eine wichtige Verbindung übersehen, nämlich die Luft in den Knödeln.

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Nimm Luft nicht als "Luft"

Leser fragt: „Ist es wichtig, dass in Knödeln Luft ist?“

Der Herausgeber antwortete: „Die Antwort steht weiter unten.“

Die Leser lesen weiterhin die Push-Benachrichtigungen und der Redakteur isst weiterhin Knödel.

——„Chuunisho Gaiden: Wärmeübertragung“

Lassen Sie mich zunächst abschweifen. Die Luft im Inneren der Knödel ist einer der wichtigsten Gründe dafür, dass sie beim Kochen schwimmen. Da bei der Herstellung der Knödel zwangsläufig etwas Luft im Inneren eingeschlossen wird, dehnt sich bei anhaltendem Erhitzen der Knödel auch die Luft im Inneren aufgrund der Hitze aus. Dadurch vergrößert sich das Gesamtvolumen der ursprünglich am Topfboden liegenden Knödel und ihr Auftrieb nimmt zu, bis dieser ihre eigene Schwerkraft überwindet und sie an die Oberfläche steigen.

Tatsächlich hat die Existenz von Luft zwei Gründe: Zum einen muss man zum Kochen der Füllung kaltes Wasser hinzufügen, und zum anderen explodieren Knödel beim Kochen manchmal (Wie bitte? Haben Sie nicht gelernt, wie man Knödel mit Luft brät, weil Sie nicht wussten, wie man Wärme gut überträgt?).

Schauen wir uns zuerst das Wichtigste an. Entscheidend ist, dass die Wärmeübertragung immer zuerst die Knödelhaut erreicht und sich dann auf die Knödelfüllung im Inneren überträgt. Daher ist die Haut oft schnell gar, die Füllung jedoch möglicherweise nicht. Wie bereits erwähnt, werden die Knödel beim Erhitzen durch die heißere Luft im Inneren gestützt, wodurch die Haut und die Füllung, die ursprünglich in direktem Kontakt waren, durch eine Luftschicht getrennt werden.

Gemäß einer ähnlichen Analyse wie der vorherigen wird durch das Hinzufügen einer Luftschicht die Wärmeübertragung von der direkten Wärmeleitung zwischen der Haut und der Füllung auf einen Konvektionswärmeaustausch mit der Luftschicht umgestellt und dann auf die Füllung übertragen. Intuitiv sollte das Hinzufügen weiterer Verbindungen die Effizienz der Wärmeübertragung verringern, aber wie stark wirkt sich dies aus? Lassen Sie uns ein ideales Modell abstrahieren und die Berechnung durchführen.

Wie in der Abbildung dargestellt, gibt es zwei Situationen mit und ohne Luftschicht. Die Wärmeübertragung wird in einem eindimensionalen Modell vereinfacht. Es wird angenommen, dass die Dicke der Haut und der Füllung konstant sind und d1 bzw. d2 betragen. Die Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten der beiden sind λ1 bzw. λ2. Die Temperaturen auf beiden Seiten sind konstant und betragen T0 bzw. T.

Fall 1: Die Grenzflächentemperatur beträgt Tm. Nehmen Sie an, dass die Luftschicht sehr dünn ist und die Innentemperatur einen konstanten Wert T2 erreicht, der zwischen den Temperaturen der Innenfläche der Haut und der Oberfläche der Füllung, T1 und T3, liegt. Die Oberflächenwärmeübertragungskoeffizienten zwischen Luft und der Haut und Füllung werden durch h12 bzw. h23 dargestellt. Es wird angenommen, dass die beiden Systeme jeweils einen stationären Zustand erreichen, d. h., der Wärmestrom Φ jedes Querschnitts (Fläche A) ist konsistent. Nach der vorherigen Formel haben wir im Fall 1

Situation 2

Die Addition der Temperaturen in den beiden Gleichungen ergibt die Beziehung

Daher erhalten wir

Unter ihnen der Nenner

Dies wird als Gesamtwärmewiderstand eines Systems bezeichnet, und der Kehrwert von k1 oder k2 wird als Gesamtwärmeübertragungskoeffizient des Systems bezeichnet. Es ist intuitiv ersichtlich, dass bei Vorhandensein einer Luftschicht bei konstanter Temperaturdifferenz der Wärmestrom aufgrund des größeren Wärmewiderstands abnimmt, was sich auf die Erwärmung der Knödelfüllung auswirkt.

Wenn kaltes Wasser zu kochendem Wasser hinzugefügt wird, kann die Wassertemperatur plötzlich sinken, das Gas im Inneren der Knödel schrumpft, wenn es kalt wird, und die Knödelhaut und die Füllung können wieder zusammenkleben, wodurch das Erhitzen der Füllung effizienter wird. Wenn Sie außerdem weiter heizen, ohne kaltes Wasser hinzuzufügen, ist die Heizleistung gering. Die Knödelfüllung wird lange erhitzt, während die Luft im Inneren der Knödel ebenfalls kontinuierlich erhitzt wird. Es besteht die Möglichkeit, dass die Knödel durch zu große Ausdehnung platzen (exploded.jpg).

Um die Wirkung der Luftschicht intuitiver zu spüren, nehmen wir d1= 2mm, d2= 1cm, λ1= 0,13W/(m·K), λ2= 0,45W/(m·K) (reine magere Fleischfüllung, sind Sie nicht versucht?). Da außerdem der Oberflächenwärmeübertragungskoeffizient von Luft bei natürlicher Konvektion etwa h=1~10W/(m2·K) beträgt, nehmen wir h12=h23= 5W/(m2·K) an. erhalten

Die dünne Luftschicht verringert die Heizleistung der Füllung tatsächlich um ein Vielfaches! Es scheint, dass die Knödel regelrecht explodieren werden, wenn wir nicht lernen, die Hitze gut zu übertragen! ! !

Das haben Sie nicht erwartet?

Beim Knödelkochen gibt es so viel zu lernen~

Verstehen Sie das Prinzip dahinter.

Jetzt, wo ich so viel Wissen gelernt habe,

Warum essen Sie nicht noch ein paar Knödel, um sich selbst zu belohnen~

Quellen:

[1] Yang Shiming, Tao Wenquan. Wärmeübertragung (4. Ausgabe) [Wärmeübertragung] [M]. Hochschulverlag, 2006.

[2] Wärmeleitfähigkeit gängiger Materialien (gkzhan.com)

[3] Wärmeleitfähigkeit_Baidu Enzyklopädie (baidu.com)

[4]Božiková M. (2003): Thermophysikalische Parameter von Mais- und Weizenmehl. Res. Agr. Eng., 49: 157-160.

[5] Flammentemperatur eines Erdgasherds_Baidu Knows (baidu.com)

Herausgeber: Wolken öffnen sich, Blätter fallen